LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY. Miejsce ćwiczenia: Zakład Chemii Fizycznej, sala 209/c

Transkrypt

1 POLITECHNI ŚLĄS WYDZIŁ CHEMICZNY TEDR FIZYOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW TLITYCZNY ROZŁD NDTLENU WODORU Miejsce ćwiczeia: Zakład Chemii Fizyczej, sala 209/c LBORTORIUM Z TLIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ

2 1. Cel ćwiczeia Celem ćwiczeia jest wyzaczeie parametrów kietyczych katalityczego rozkładu aleku wodoru. 2. WSTĘP TEORETYCZNY Rozkład wody utleioej w roztworze przyśpiesza bardzo wiele joów, między iymi 2- Cr 2 O 7 oraz Fe 3+. Substacje przyśpieszające rozkład katalizatora tworzą z cząsteczką wody utleioej produkt przejściowy, który astępie ulega rozkładowi z wydzieleiem pierwotej postaci katalizatora oraz produktów rozkładu. Mechaizm tego procesu moża przedstawić astępującym schematem: c M (1) M k r produkty rozkładu (2) gdzie - cząsteczka substratu - cząsteczka katalizatora M - cząsteczka substacji przejściowej c - stała rówowagi reakcji (1) k r - stała szybkości reakcji (2) Substacja przejściowa M powstaje w stosukowo szybkim procesie odwracalym, a ietrwałe to połączeie rozpada się a produkty reakcji oraz cząsteczkę katalizatora stosukowo powoli. Poieważ szybkość reakcji jest określoa przez szybkość rozpadu substacji przejściowej moża apisać: d k r M (3) Z waruków rówowagi atomiast możemy wyliczyć stężeia produktów przejściowych: c M M (4) stąd i ostateczie: M c 1 c (5)

3 d ck r 1 c Wyika z tego, że szybkość reakcji rozkładu jest wprost proporcjoala do stężeia katalizatora, a rząd reakcji zależy od wielkości c (). Jeżeli c () 1, to rówowaga przesuięta jest a stroę tworzeia produktu przejściowego i wówczas rząd reakcji względem stężeia substratów wyosi zero. d k (6) r (7) oraz gdy c () <<1, wówczas rząd reakcji względem stężeia substratów wyosi. d k r c (8) Formaly rząd reakcji może zmieiać się od 0 do i przyjmować wartości ułamkowe. Fakt te jest w katalizie jedorodej zjawiskiem powszechym. Doświadczalie stwierdzoo, że dla reakcji rozkładu aleku wodoru katalizowaej przez joy dwuchromiaowe rząd reakcji zmieia się z temperaturą i przy wzroście temperatury od C wzrasta od wartości WYONNIE ĆWICZENI paratura Termostat, aczyńko termostatowe, biureta gazowa a 50 cm 3. Odczyiki H 2 O (roztwór ~ 30 %), MO roztwór 0,02 M, Cr , roztwór 0,1 M, FeCl roztwór 0,1 M. 3 W kolbach miarowych sporządzić roztwory aleku wodoru i katalizatora o stężeiach dwukrotie wyższych od stężeń jakie powiy być w roztworze reakcyjym (p. jeśli mamy prowadzić pomiar kietyki rozkładu H 2 o stężeiu początkowym 0.1 M, a stężeie katalizatora w tym roztworze ma wyosić M, to przygotowujemy roztwory H 2 o stężeiu 0,2 M oraz katalizatora o stężeiu M. Należy sporządzić 100 cm 3 roztworu H 2 i 50 cm 3 roztworu katalizatora. Przy sporządzaiu roztworów przyjąć, że gęstość ich jest rówa 1 g/cm 3. W celu wyzaczeia dokładego stężeia roztworu H 2 ależy pobrać 2 cm3 przygotowaego roztworu, dodać ~100 cm 3 wody destylowaej, ~2 cm 3 30 % H 2 SO 4 i miareczkować roztworem admagaiau potasu do uzyskaia trwałego zabarwieia. Po przygotowaiu roztworów do aczyńka termostatowego umieszczoego a mieszadle magetyczym odmierzamy 25 cm 3 roztworu H 2. Włączamy mieszadło magetycze i czekamy, aby temperatura roztworu w aczyńku termostatowym osiągęła żądaą wartość. Należy pamiętać o tym, aby wcześiej załączyć termostat oraz w aczyńku termostatowym umieścić mieszadełko. olbę z przygotowaym roztworem katalizatora umieszczamy w termostacie, aby rówież osiągął żądaą temperaturę. Oczekując a wyrówaie się temperatur roztworów reakcyjych przygotowujemy do pomiarów biuretę gazową. W tym celu otwieramy kra biurety, zdejmujemy z wieszaka zbiorik wyrówawczy i apełiamy biuretę cieczą do pełej objętości. Po apełieiu biurety zamykamy

4 kra i zbiorik wyrówawczy umieszczamy a wieszaku. Po osiągięciu przez roztwory reakcyje żądaej temperatury odmierzamy pipetą roztwór katalizatora w ilości 25 cm 3 i wlewamy go szybko do aczyńka termostatowego, aczyńko zamykamy szczelie korkiem połączoym z biuretą gazową i otwieramy kra biurety. Po otwarciu krau wyrówujemy poziomy cieczy w biurecie gazowej oraz w zbioriku wyrówawczym i odczytujemy objętość gazu zajdującego się w biurecie. Pomiar objętości wydzieloego z roztworu reakcyjego tleu wykoujemy początkowo co 2 miuty, a potem co 5 i co 10 miut. Należy przy tym pamiętać, aby przy odczytywaiu objętości gazu poziomy cieczy w biurecie i w zbioriku wyrówawczym były takie same. Pomiary objętości wydzieloego tleu ależy prowadzić do mometu przereagowaia około 80 % początkowej ilości H 2. Zazwyczaj trwa to około 45 miut. W celu określeia dokładego stężeia aleku wodoru po zakończeiu pomiaru pobieramy z aczyńka termostatowego do dwóch kolbek stożkowych po 10 cm 3 roztworu poreakcyjego. Dodajemy po około 100 cm 3 wody destylowaej,. zakwaszamy około 2 cm 3 30 % kwasu siarkowego i miareczkujemy roztworem admagaiau potasu. Pobraie próbek roztworu reakcyjego i przeiesieie ich do kolbek z wodą destylowaą powio astąpić atychmiast po zakończeiu pomiaru wydzielaia tleu. Pomiar powtarzamy dla tych samych stężeń początkowych H 2 i katalizatora w iej temperaturze. Należy zaotować ciśieie atmosferycze oraz temperaturę otoczeia. Na podstawie tych daych oraz objętości wydzieloego gazu obliczamy ilość moli powstałego tleu.

5 4. Zasady bezpieczestwa i utylizacji odpadów UWG: W razie iepożądaego kotaktu z substacją iebezpieczą atychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia Odczyik 2 Cr 2 O 7 FeCl 3 MO 4 30 % H 2 SO 4 lasyfikacja Może powodować raka. Działa szkodliwie w kotakcie ze skórą. Działa toksyczie po połkięciu. Działa bardzo toksyczie przez drogi oddechowe. Powoduje oparzeia. Działa bardzo toksyczie a orgaizmy wode. otakt z materiałami zapalymi może spowodować pożar. Działa szkodliwie po połkięciu. Działa drażiąco a skórę. Ryzyko poważego uszkodzeia oczu. Działa szkodliwie po połkięciu. Działa bardzo toksyczie a orgaizmy wode; może powodować długo utrzymujące się iekorzyste zmiay w środowisku wodym otakt z materiałami zapalymi może spowodować pożar. Powoduje oparzeia. Działa drażiąco a oczy i skórę Środki bezpieczeństwa Przy kotakcie z oczami: płukać dużą ilością wody przy szeroko otwartej powiece. Natychmiast skotaktować się z okulistą. Przy kotakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody. Natychmiast zmieić zaieczyszczoe ubraie. Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, spowodować wymioty. Natychmiast wezwać lekarza. Uwaga ogóla: ostrożie oczyścić ewetuale ray i zabezpieczyć materiałem sterylym. Przy wdychaiu: świeże powietrze. Jeżeli koiecze wezwać lekarza. Przy kotakcie ze skórą: zmyć wodą, zdjąć zaieczyszczoą odzież Przy kotakcie z oczami: przepłukać wodą, atychmiast skosultować się z okulistą Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, wezwać lekarza Przy wdychaiu: świeże powietrze Przy kotakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przy szeroko odchyloej powiece. Skotaktować się z okulistą. Przy kotakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody. Zdjąć skażoą odzież. Przy spożyciu: gdy poszkodoway jest przytomy podać dużą ilość wody. Uikać wymiotów (ryzyko perforacji). Natychmiast wezwać lekarza Przy wdychaiu: zapewić dostęp świeżego powietrza. Jeżeli poszkodoway poczuje się iezdrowo wezwać lekarza. Przy kotakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody, przyłożyć glikol polietyleowy 400, zdjąć zaieczyszczoą odzież. Przy kotakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przez co ajmiej 10 miut, skosultować się z okulistą Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, uikać wymiotów, wezwać lekarza Przy wdychaiu: świeże powietrze, wezwać lekarza Postępowaie z odpadami umieścić w pojemiku a odpady ieorgaicze ozaczoe literą N umieścić w pojemiku a odpady roztwory soli ieorgaiczych ozaczoe literą S umieścić w pojemiku a odpady ieorgaicze ozaczoe literą N umieścić w pojemiku a odpady ieorgaicze ozaczoe literą N

6 5. OPRCOWNIE WYNIÓW a) Wyiki pomiarów zestawiamy w tabeli 1. Dodatkowo w wyikach pomiarów ależy podać ilość MO 4 zużytego do miareczkowaia roztworu poreakcyjego, a także ciśieie atmosferycze i temperaturę otoczeia. Uwaga: stężeie roztworu c w czasie trwaia pomiaru ależy obliczać a podstawie wyiku miareczkowaia oraz objętości wydzieloego tleu. b) Na podstawie zestawioych w tabeli wyików sporządzić wykres zależości stężeia H 2 od czasu. c) Zestawiamy w tabeli 2 wyiki obliczoych szybkości reakcji oraz odpowiadających im stężeń, jak rówież obliczoe logarytmy szybkości reakcji i logarytmy odpowiadających im stężeń. d) Wykoujemy wykres zależości logarytmu szybkości reakcji od logarytmu stężeia. e) Z wykoaego wykresu odczytujemy stałą szybkości reakcji oraz rząd reakcji przyjmując za podstawę uproszczoe rówaie: d H O 2 2 k H O 2 2 (9) Na podstawie obliczoych stałych szybkości reakcji dla dwóch temperatur obliczamy eergię aktywacji katalityczego rozkładu H 2. Tabela 1. Nr pom. Czas od pocz. pomiaru Objętość wydz. tleu Ilość moli wydz. tleu Ilość moli H 2 w roztw. reakc. Stęż. H 2 w roztw. reakc. Tabela 2. L.p. Stężeie H 2 Szybkość reakcji log c log (-dc / ) 6. LITERTUR 1. Praca zbiorowa - Chemia Fizycza, Warszawa, 1966, pkt. 17,1-17,9; 17,15-17,22; 17,33-17, G. Barrow - Chemia Fizycza, Warszawa, 1971, rozdz G. M. Paczekow, W. P. Lebiediew - ietyka Chemicza i ataliza, Warszawa, 1964, (97-99). 7. Pytaia kotrole 1. Co to są katalizatory i jaki jest sposób ich działaia, podać przykłady. 2. Czy katalizatory mają wpływ a zmiaę wielkości parametrów termodyamiczych w układach reakcyjych? 3. Podać zasadicze różice między katalizą jedofazową i wielofazową. 4. Co to jest eergia aktywacji i jaki wpływ a tę wielkość mają katalizatory? 5. Dlaczego formaly rząd reakcji w katalizie jedorodej może przyjmować wartości ułamkowe? 6. Jaki jest wpływ stężeia katalizatora a szybkość reakcji w katalizie jedorodej?